多學科知識“應(yīng)知”與“應(yīng)會”并舉

林君秋+葉靈

摘要：本文介紹了在教學過程中引入和采用先進的STEM教學理念和開放式教學科創(chuàng)平臺，通過在有限的課時內(nèi)合理規(guī)劃和考量教學過程中不同學科“應(yīng)知”和“應(yīng)會”內(nèi)容和難易程度的平衡，注重多學科知識的有機融合和靈活運用，從切實提髙STEM的4種素養(yǎng)角度有效激發(fā)學生自主學習、自主創(chuàng)新能力的探索和實踐。

關(guān)鍵詞：信息科技 STEM 多學科知識融合 開放式教學 科技創(chuàng)新平臺

計算機、機器人和物聯(lián)網(wǎng)是目前中小學信息科技課程教學和科技創(chuàng)新活動中開展較為普遍的內(nèi)容。它們有一個共同點，就是技術(shù)發(fā)展和變化非常迅速，而且多學科高度融合。這對課程的教學目標、教學模式、教學手段和教學成效的提升提出了更高要求。多年來，我國中小學信息科技課程的發(fā)展經(jīng)歷了幾個不同的探索階段，包括從基礎(chǔ)的Basic程序語言編程著手到重視日常的計算機應(yīng)用軟件教學。但這些入門和普及型的教學內(nèi)容與實際應(yīng)用之間存在一定脫節(jié)，學生往往像瞎子摸象一樣，即便學了也不清楚該如何實際運用。因此，教學中常有學生根本不愛學、不愿學信息科技教材的內(nèi)容[1]，也暴露出了現(xiàn)有的教材內(nèi)容跟不上近年來以移動和個人智能為代表的信息技術(shù)的快速發(fā)展，沒有捕捉到當下學生對相關(guān)知識的興趣點。

為此，我們通過引入先進的STEM教學理念和采用全新的教學科技創(chuàng)新平臺，構(gòu)建了以側(cè)重多學科知識的完整普及，并結(jié)合與生活實際密切相關(guān)的教學案例來激發(fā)學生參與熱情和提高教學成效的新教學模式。

一、多學科“應(yīng)知”、“應(yīng)會”并舉教學模式構(gòu)建

1.基于STEM的教學目標解析

STEM教育理念最早源自于美國，它旨在將原本分散的科學、技術(shù)、工程、數(shù)學4門課程融合為一個新的有機整體，注重綜合培養(yǎng)學生的4種基本素養(yǎng)：即運用基礎(chǔ)科學知識（如物理、化學和自然科學等）的科學素養(yǎng)，理解新技術(shù)發(fā)展過程和運用其革新和改造自然和社會的技術(shù)素養(yǎng)，熟悉創(chuàng)新設(shè)計思維和開發(fā)過程并能夠創(chuàng)造性地加以運用的工程素養(yǎng)，以及運用數(shù)學原理發(fā)現(xiàn)、表達和解決所遇到的實際問題的數(shù)學素養(yǎng)。這對解決目前中小學信息科技課程所存在的問題提供了一種新的思路，因此，國內(nèi)對這一先進的教學模式給予了高度重視，并積極開展了探索和實踐[2-3]。

但是，在現(xiàn)有的信息科技課程教學過程中如何融入和貫徹這種先進的教學理念呢？通過總結(jié)這些年來我校傳統(tǒng)的機器人特色活動[4]，我們提出了以多學科知識融合作為“應(yīng)知”目標，以創(chuàng)客案例實踐作為“應(yīng)會”導向的教學模式。前者更加強調(diào)不同學科知識的全面普及，著眼于學生科技思維模式的建立和綜合素養(yǎng)的培養(yǎng)，不再過分強調(diào)和枸泥于單一編程或軟硬件應(yīng)用技能的系統(tǒng)傳授和學習；后者則注重以啟迪不同學生個體的興趣和創(chuàng)意作為著力點，并且在教學過程中有計劃地引導學生對其所學的各門基礎(chǔ)課程知識及本課程相關(guān)學科基本概念的靈活應(yīng)用，做到對所學知識運用和解決問題方法的真正“應(yīng)會”。

為此，我們首先對課程所涉及學科知識和應(yīng)知應(yīng)會的深度進行了全面的梳理，結(jié)合STEM4種基本素養(yǎng)的要求將教學過程中應(yīng)知和應(yīng)會的內(nèi)容分解為“有什么？是什么？為什么？學什么？做什么？如何做？”等6個方面。力求讓學生結(jié)合教學實踐案例更加全面了解與之相關(guān)的學科發(fā)展過程和知識輪廓；同時根據(jù)各種基礎(chǔ)知識點的難度不同，米用實景演不、社會實踐、動手練習、案例制作、開放教學等多種模式，用有計劃、分階段和平行式的教學規(guī)劃讓學生以交互的、主動的、實踐的、能在各學科間有意識地建立起有機聯(lián)系的方式來完成整個課程的學習。

2.開放式教學科技創(chuàng)新平臺的總體架構(gòu)

為了實現(xiàn)這樣一個具有較高起點的教學構(gòu)想和目標，首要任務(wù)就是創(chuàng)建一個更為有效的多學科教學科技創(chuàng)新平臺。為此，我們借鑒和分析了樂高機器人等國內(nèi)外先進教學產(chǎn)品的特點，結(jié)合Linux和Arduino等開源軟硬件日益成熟，以及近年來個人智能移動設(shè)備和無線移動網(wǎng)絡(luò)等最新IT技術(shù)和產(chǎn)品快速普及的便利條件[5-7]，與有關(guān)高校和企業(yè)合作開發(fā)了一個全新的、著眼于普及型教學而不是僅適合競賽活動的開放式科技創(chuàng)新平臺OIS（Open Intelligent Solution）[8]，這個平臺具有以下特點。

①積木式：無論軟、硬件都具有分層架構(gòu)清晰、高度模塊化的特點，有利于在教學中充分展示不同學科的知識點和基本概念，同時各部分均可以靈活地拼搭接，便于調(diào)動學生動手實踐的熱情。

②簡便易學：盡可能采用學生日常使用和最易熟悉的IT產(chǎn)品和技術(shù)，具有直觀的圖形開發(fā)界面，不要求學生具備較高的編程知識和入門水平，使學生能夠?qū)⒅饕Τ浞旨性趧?chuàng)意的實現(xiàn)上。

③開放性：可以兼容多種主流技術(shù)平臺和廠家產(chǎn)品；盡可能采用了開源和共享技術(shù)，軟、硬件可以獨立升級，以充分適應(yīng)各種IT技術(shù)的變化和快速發(fā)展；OIS-CPU可以兼容多種主流的操作系統(tǒng)和宿主于百余種市售的個人移動設(shè)備上，與側(cè)重于競賽使用的套件型產(chǎn)品有很大的不同，絕大部分硬件都可以由學生自己選擇和采購，具有較高的價比高，易于在教學和科技創(chuàng)新活動中普及。

④多功能：能適應(yīng)計算機、機器人、物聯(lián)網(wǎng)等不同的課程案例教學，同時具有多種開發(fā)方式和擴充可能，能夠滿足校內(nèi)外、教與學不同模式的需求，便于感興趣的學生進一步進行學習開發(fā)。

與時下流行的單純采用Arduino的教學平臺相比OIS-CPU+Arduino提供了一個更清晰的分層硬件架構(gòu)和更強大的移動計算性能、多機網(wǎng)絡(luò)通信能力和更豐富的人機接口手段，知識覆蓋面更廣。同時，圖形化的開發(fā)和仿真手段也大大降低了案例學習和實現(xiàn)的難度。能克服信息科技課程課時較少、校內(nèi)外銜接難的實際難題。實踐證明，這個教學平臺為我們開展多學科教學模式的探索和普及提供了有效手段。

二、教學案例分析

物聯(lián)網(wǎng)是傳感器、互聯(lián)網(wǎng)、智能控制及信息處理技術(shù)高度融合的新一代信息技術(shù)[6]。物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用范圍和應(yīng)用前景幾乎涵蓋了我們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷妗Ｒ虼?，也越來越多地引起了國?nèi)高校乃至中小學校的重視。由于物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用對象與學生的日常生活密切相關(guān)，學生更容易通過自身的觀察和對應(yīng)用對象的逐步了解，積極融入課程教學和實踐過程。endprint

這里就結(jié)合“基于物聯(lián)網(wǎng)的城市道路景觀綠植節(jié)水型智能澆灌系統(tǒng)”的教學案例來簡要介紹新的教學模式的實踐過程。首先，我們安排學生去現(xiàn)場仔細觀察園林工人對道路景觀綠植的實際澆灌過程，并引導他們通過思考發(fā)現(xiàn)問題，提出如何利用智能化手段來實現(xiàn)節(jié)省人工、節(jié)水和改善澆灌效果，繼而利用OIS平臺展開各學科知識的教學和實踐內(nèi)容。

除了課堂上基本概念的講解，使學生熟悉和了解“有什么”和“是什么”之外，按照教學目標構(gòu)想，我們還有計劃地安排了多項數(shù)學、物理和自然常識綜合應(yīng)用的內(nèi)容，引導學生運用已經(jīng)學過的基礎(chǔ)知識進行定量的數(shù)學建模和物理實驗。包括向園林工人了解實際的澆灌方法及不同季節(jié)和天氣情況下澆灌的次數(shù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；通過漫灌、滴灌和浸灌3種不同方式的物理實驗比較其節(jié)水效果；用非標幾何體的體積計算求得澆水車貯水量；實地勘察道路花盆的數(shù)量并在網(wǎng)上查閱上海道路總長、降雨量和降水天數(shù)等數(shù)據(jù)，來綜合論證及定量評估預(yù)期的節(jié)水效果。

在學生動手進行原型設(shè)計和制作階段，我們又結(jié)合這個案例的應(yīng)用環(huán)境在室外，物理實驗中電阻式土壤濕度計的讀數(shù)值存在偏差，調(diào)試中曾出現(xiàn)水泵發(fā)熱燒毀等現(xiàn)象，有針對性地安排了測量誤差校正和信號校正、究余和優(yōu)先級等安全可靠性的工程概念教學內(nèi)容。并且根據(jù)實踐過程中學生提出的創(chuàng)意，還增加了有雨水收集功能的優(yōu)化設(shè)計方案。從實際教學效果看，結(jié)合案例的教學和實踐，學生都能很快理解這些對他們而言看似比較深奧的概念和原理。

目前，STEM已逐步擴展為了STEAM，就是在STEM的基礎(chǔ)上加入了藝術(shù)與設(shè)計（Arts）。

三、結(jié)語

新教學模式的探索和實踐讓我們充分認識到，在信息科技課程教學中貫徹STEAM教學理念實際上是一個教學目標、教學模式、教學平臺和教學手段有機融合的過程。也就是要將教與學的關(guān)注點始終落實在STEM所強調(diào)的要讓學生在整合的學習情境中形成正確的工程技術(shù)思維，鍛煉他們的組織合作能力、問題解決能力和實踐創(chuàng)新能力之上。用通俗的比喻，就是不再僅僅引導他們?nèi)ァ跋棺用蟆?，而是啟迪他們?nèi)ァ安軟_稱象”，而這也正是信息科技課程教改的發(fā)展方向。

從本文案例可以看出，“應(yīng)知”和“應(yīng)會”并舉并不意味著簡單地放棄知識的傳授，而是要以更具針對性的教學規(guī)劃和更直觀靈活的教學手段在有限的課時中最大限度地開拓學生的視野。在教的過程中強調(diào)對各個不同學科知識的“應(yīng)知”，力圖使學生更為全面地了解學科的基本概念和知識輪廓，這個過程就像學海拾珠；而在學的過程中則通過引入切合學生認知和生活實際的導向式案例，在用中求知，在做中學會，啟發(fā)他們巧思成串，重視引導學生建立起正確的工程和設(shè)計思維，培養(yǎng)他們動手、動腦，運用所學知識解決出現(xiàn)的實踐問題，充分激發(fā)和肯定不同學生個體的探知欲。

過程中我們也深刻地體會到處于互聯(lián)網(wǎng)時代的中小學生對新事物的理解能力和思維的開闊性。不能再機械地以大腦生理發(fā)育階段，知識面和深度存在較大局限等舊有的教育思維模式來人為地構(gòu)設(shè)出各種條條框框，也不能忽視當下學生家長本身素質(zhì)的提高及他們在學生綜合素質(zhì)培養(yǎng)方面所投入的旺盛精力和熱情。采用更有便于校內(nèi)外教學有機結(jié)合的開放式教學科技創(chuàng)新平臺，并輔以微信公眾平臺、大學生社團傳幫帶等多樣化的教學手段，完全有可能在較高起點和較快節(jié)奏條件下完成較高水平的信息技術(shù)課程教學目標。當然，盡管這種新的教學嘗試已經(jīng)取得了較好效果，并得到了學生和家長的積極回應(yīng)，學生采用OIS平臺完成的多個創(chuàng)意作品也在上海市青少年科技創(chuàng)新大賽上取得了不錯的成績，但其探索過程仍需要我們通過更多的案例和實踐不斷地加以總結(jié)和提高。

參考文獻

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[7].（美）MassimoBanzi著.于欣龍，郭浩贄譯.硬件開源電子設(shè)計平臺：愛上Arduino（第2版）[M].北京：人民郵電出版社，2012

[8].葉靈，林君秋，吳勝昔.機器人集成教學平臺的開發(fā)與應(yīng)用[C].南京：第33屆中國控制會議論文集（F卷）：8457—8461，中國自動化學會，2014

點評

作者在基于STEM教育理念的信息科技課程教學實踐中，通過自身認識、研究和探索，提出了以多學科知識融合作為“應(yīng)知”目標，以創(chuàng)客案例實踐作為“應(yīng)會”導向的教學模式，并通過創(chuàng)建開放式教學科創(chuàng)平臺等相關(guān)舉措和個案研究，取得了初步實踐效果。上述以論文形式反映出的具有一定創(chuàng)新性的科技教育實踐經(jīng)驗和理性思考，對廣大科技輔導員具有較好的參考價值和示范作用。

如果作者在所論述的信息科技課程實踐探索中，能夠更深入地挖掘所依托的STEM教育理念的核心內(nèi)涵，并注意與其他相關(guān)先進教育理論相結(jié)合，以進一步闡述和佐證實踐的科學性和教育性，則會使本文的學術(shù)性更為明顯。

——翟立原（中國青少年科技輔導員協(xié)會理論工作委員會副主任委員，第24屆全國青少年科技輔導員論文征集活動評審委員會主任委員）endprint